直接键合方法和结构技术

一种键合方法可以包括使第一元件的第一键合层活化以用于到第二元件的第二键合层的直接键合。该键合方法可以包括：在活化之后，在第一元件的经活化的第一键合层之上提供保护层。层。层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】直接键合方法和结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年10月29日提交的美国临时申请No.63/107,280的优先权，该临时申请的全部内容在此通过引用以其整体并入并且用于所有目的。


[0003]本领域涉及直接键合方法和结构。

技术介绍

[0004]随着便携式电子设备的快速发展、物联网的扩展、纳米尺度集成、亚波长光学集成等，对诸如集成芯片和器件裸片的微电子元件的更紧凑物理布置的需求变得更加强烈。仅举例来说，通常称为“智能电话”的设备将蜂窝式电话的功能与强大的数据处理器、存储器和辅助装置(诸如全球定位系统接收器，电子相机和局域网连接)以及高分辨率显示器和相关联的图像处理芯片集成在一起。这样的设备可以提供诸如全互联网连接、包括全分辨率视频的娱乐，导航、电子银行、传感器、存储器、微处理器、保健电子设备、自动电子设备等的能力，所有这些都在袖珍型设备中。复杂的便携设备需要将许多芯片和裸片封装在小空间中。
[0005]微电子元件通常包括半导体材料(诸如硅或砷化镓或其它材料)的薄板。芯片和裸片通常被提供作为个体的预封装单元。在一些单元设计中，裸片被安装到衬底或芯片载体，该衬底或芯片载体又被安装在诸如印刷电路板(PCB)的电路面板上。裸片可以被提供在封装中，该封装便于在制造期间和在将裸片安装到外部衬底上期间处理裸片。例如，许多裸片被提供在适于表面安装的封装中。已经提出了这种通用类型的许多封装以用于各种应用。最常见的是，这种封装包括电介质元件(通常称为“芯片载体”)，其端子在电介质上被形成作为经电镀或经蚀刻的金属结构。端子通常通过诸如沿裸片载体延伸的细迹线的导电特征以及通过在裸片的接触与端子或迹线之间延伸的细引线或导线连接到裸片的接触焊盘(例如，键合焊盘或金属柱)。在表面安装操作中，封装可以被放置在电路板上，使得封装上的每个端子与电路板上的对应接触焊盘对准。焊料或其它键合材料通常被提供在端子与接触焊盘之间。封装可以通过加热组装件以熔化或“回流”焊料或以其它方式使键合材料活化而永久地被键合在适当位置。
[0006]许多封装包括焊球形式的焊料块，焊球的直径通常在大约0.025mm和大约0.8mm(1和30密耳)之间，并且被附接到封装的端子。具有从其底表面(例如，与裸片正面相对的表面)突出的焊球的阵列的封装通常被称为球栅阵列或“BGA”封装。被称为连接盘栅格阵列(land grid array)或“LGA”封装的其它封装通过由焊料形成的薄层或连接盘而被固定到衬底。这种类型的封装可以非常紧凑。某些封装(通常称为“芯片级封装”)占据的电路板面积等于或仅稍大于在封装中所并入的器件的面积。该级别是有利的，因为它减小了组装件的整体尺寸，并且允许在衬底上的各种器件之间使用短互连，这又限制了器件之间的信号传播时间，因此便于组装件在高速下操作。
[0007]半导体裸片还可以以“堆叠”布置来提供，其中例如，一个裸片被提供在载体上，而另一裸片被安装在第一裸片的顶部上。这些布置可以允许多个不同的裸片被安装在电路板上的单个占用空间内，并且可以通过在裸片之间提供短互连而进一步促进高速操作。通常，该互连距离可以仅稍大于裸片本身的厚度。为了在裸片封装的堆叠内实现互连，可以在每个裸片封装(除了最上面的封装)的两侧(例如，面)上提供用于机械和电连接的互连结构。这例如通过在安装有裸片的衬底的两侧上提供接触焊盘或连接盘来实现，焊盘通过导电过孔等穿过衬底而连接。
[0008]裸片或晶片也可以以其它三维布置进行堆叠，作为各种微电子封装方案的部分。这可以包括：将一个或多个裸片或晶片的层堆叠在较大的基裸片或晶片上，以垂直或水平布置堆叠多个裸片或晶片，或者堆叠相似或不相似的衬底，其中衬底中的一个或多个衬底可以包含电元件或非电元件、光学元件或机械元件和/或这些的各种组合。裸片或晶片可以使用各种键合技术以堆叠布置进行键合，键合技术包括直接电介质键合、非粘合技术(诸如)或混合键合技术(诸如)(这两种技术都可以从Xperi集团公司的Invensas Bonding Technologies,Inc(以前是Ziptronix,Inc.)获得(参见例如美国专利No.6,864,585和No.7,485,968，这些专利以其整体并入本文)。当使用直接键合技术将堆叠裸片进行键合时，通常需要待键合的裸片的表面极其平坦且光滑。例如，通常，表面应该具有非常低的表面拓扑变化，使得表面可以紧密配合以形成持久的键合。例如，通常优选地的是键合表面的粗糙度的变化小于3nm，优选地小于1.0nm。
[0009]一些堆叠裸片布置对堆叠裸片的一个或两个表面上的粒子或污染物的存在敏感。例如，由处理步骤残留的颗粒或来自裸片处理或工具的污染物会导致堆叠裸片之间的不良键合区域等。在裸片处理期间的额外处理步骤可以进一步加剧该问题，留下不想要的残余物。
附图说明
[0010]图1是示出了用于形成键合结构的方法的流程图。
[0011]图2A至图2B是示出了根据各个实施例的用于形成键合结构的示例方法的流程图。
[0012]图3A至图3E示意性地示出了根据图2的键合方法。
[0013]图4是示出了根据各个实施例的用于形成键合结构的方法的流程图。
具体实施方式
[0014]两个或更多个半导体元件(诸如集成器件裸片、晶片等)可以被堆叠在彼此上或彼此键合以形成键合结构。一个元件的导电接触焊盘可以电连接到另一个元件的对应导电接触焊盘。任何合适数目的元件可以被堆叠在键合结构中。如本文中所使用，接触焊盘可以包括被配置为键合(例如，在没有粘合剂的情况下直接键合)到另一元件的相对导电特征的元件内的任何合适的导电特征。例如，在一些实施例中，(多个)接触焊盘可以包括在元件的键合层中形成的分立的金属接触表面。在一些实施例中，(多个)接触焊盘可以包括至少部分地延伸穿过元件的衬底通孔(TSV)的(多个)暴露端。
[0015]在一些实施例中，元件在没有粘合剂的情况下直接彼此键合。在各种实施例中，第一元件(例如，具有有源电路系统的第一半导体器件裸片)的电介质场区域(也称为非导电
键合区域)可以在没有粘合剂的情况下直接键合(例如，使用电介质到电介质的键合技术)到第二元件(例如，具有有源电路的第二半导体器件裸片)的对应电介质场区域。例如，使用至少在美国专利No.9,564,414；No.9,391,143；和No.10,434,749(其各自的全部内容通过引用以其整体并入本文并且用于所有目的)中公开的直接键合技术，可以在没有粘合剂的情况下形成电介质到电介质的键。
[0016]在各种实施例中，可以在没有中间粘合剂的情况下形成混合直接键。例如，可以将介电键合表面抛光到高度光滑。键合表面可以被清洁并暴露于等离子体和/或蚀刻剂以使表面活化。在一些实施例中，表面可以在活化之后或在活化期间(例如，在等离子体和/或蚀刻工艺期间)利用物质来终止。在不受理论限制的情况下，在一些实施例中，可以执行活化过程以破坏键合表面处的化学键，并且终止过程可以在键合表面处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种键合方法，包括：使第一元件的第一键合层活化以用于到第二元件的第二键合层的直接键合；以及在所述活化之后，在所述第一元件的经活化的所述第一键合层之上提供保护层。2.根据权利要求1所述的键合方法，其中所述保护层包括有机层。3.根据权利要求2所述的键合方法，其中所述保护层包括光致抗蚀剂。4.根据权利要求1所述的键合方法，还包括：去除所述保护层。5.根据权利要求4所述的键合方法，其中所述第一元件在提供所述保护层之前呈晶片的形式，所述方法还包括：在去除所述保护层之前对晶片形式的所述第一元件进行单片化，以形成多个单片化第一元件。6.根据权利要求4所述的键合方法，还包括：在去除所述保护层之后，在没有中间粘合剂的情况下，将所述第一元件的所述第一键合层直接键合到所述第二元件的所述第二键合层。7.根据权利要求6所述的键合方法，还包括：在所述直接键合之前，利用去离子水(DIW)冲洗所述第一键合层和所述第二键合层中的至少一者。8.根据权利要求6所述的键合方法，其中，在所述直接键合之前，所述第一元件呈单片化集成器件裸片的形式，并且所述第二元件呈晶片的形式。9.根据权利要求6所述的键合方法，其中所述第一键合层包括第一多个导电接触焊盘和第一非导电键合区域，其中所述第二键合层包括第二多个导电接触焊盘和第二非导电键合区域，并且其中直接键合包括：在没有粘合剂的情况下将所述第一多个导电接触焊盘和所述第二多个导电接触焊盘彼此直接键合，并且在没有粘合剂的情况下将所述第一非导电键合区域和所述第二非导电键合区域彼此直接键合。10.根据权利要求9所述的键合方法，其中所述导电接触焊盘包含铜或铜合金。11.根据权利要求9所述的键合方法，其中所述非导电键合区域包括含硅电介质层。12.根据权利要求9所述的键合方法，其中所述非导电键合区域包括不含硅的非硅电介质层。13.根据权利要求9所述的键合方法，还包括：在直接键合之前使所述第二键合层活化。14.根据权利要求6所述的键合方法，其中使所述第一键合层活化和提供所述保护层在第一设施中被执行，并且其中直接键合在第二设施处被执行，所述第二设施处于与所述第一设施不同的位置。15.根据权利要求6所述的键合方法，其中在使所述第一键合层活化之后，执行直接键合超过二十四(24)小时。16.根据权利要求1所述的键合方法，其中使所述第一键合层活化包括：对所述第一键合层进行等离子体活化。17.根据权利要求16所述的键合方法，其中对所述第一键合层进行等离子体活化包括：将所述第一键合层暴露于含氮等离子体。18.根据权利要求17所述的键合方法，其中所述第一键合层包括氧化硅或碳氮化硅。19.根据权利要求16所述的键合方法，其中对所述第一键合层进行等离子体活化包括：将所述第一键合层暴露于含氧等离子体。20.根据权利要求19所述的键合方法，其中所述第一键合层包括氮化硅或碳氮化硅。
21.根据权利要求1所述的键合方法，其中提供所述保护层包括：在所述第一元件的经活化的所述键合层之上沉积所述保护层。22.一种制备用于直接键合的结构，所述结构包括：元件，所述元件具有基部以及在所述基部上的键合层，所述键合层包括用于直接键合的活化表面；以及保护层，被设置在所述键合层的所述活化表面之上。23.根据权利要求22所述的结构，其中所述元件包括晶片。24.根据权利要求22所述的结构，其中所述元件包括单片化集成器件裸片。25.根据权利要求22所述的结构，其中所述基部包括半导体，并且所述键合层包括电介质键合区域和多个导电接触焊盘。26.根据权利要求25所述的结构，其中所述导电接触焊盘的暴露表面凹陷到所述电介质键合区域的键合表面下方。27.根据权利要求22所述的结构，其中所述保护层包括聚合物。28.根据权利要求22所述的结构，其中所述活化表面包括等离子体活化表面。29.根据权利要求22所述的结构，其中所述活化表面包括氧氮化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：美商艾德亚半导体接合科技有限公司，
类型：发明
国别省市：